机器人课程论文四足机器人的翻译有图兼容模板.doc

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY机器人技术基础课程考 核 论 文题 目 四足机器人的翻译有图兼容模板 班 级 合力专升本班 学 号 2010814846 姓 名 孙力钧 成 绩 机械与汽车工程学院 机械电子工程系二零一二 年 三 月机器人技术和计算机集成制造多功能四足机器人的模块化设计摘要现代工业使用多种类型的机器人。除了普通的机械手臂，两足，三足，还有四足机器人，四足机器人最初是为了开发玩具，现在越来越多的应用于制造业中。这项研究始于建立具有多种功能的四足机器人平台，高灵敏度，模块化装配，这是我们构造工业机器人的基本模型。在额外负载下，四足机器人的四条腿能增强其承载能力，它的可靠性要高于两足或三足机器人，这有助于它携带更多的物品并提高性能。根据不同的要求和制造工艺要求，高度敏感的四足机器人提供了一个扩展接口，添加不同的传感元件。此外，当与无线通讯模块或独立的1.2GHz的射频电荷耦合装置无线图像传输系统相结合，用户可以远程控制机器人，即时。该设计有助于四足机器人扩大其应用。通过拆装模块和改变传感元件，高度敏感的四足机器人可用于不同的任务。此外，机器人的远程控制功能将增加与人类的相互作用，因此它可以非常多的卷入人们的生活工作。四足机器人平台将为不同的工业机器人的商业化设计提供参考，并将提供更多的选择和有用的创意应用工业机器人的设计。1.介绍1977年，Gollidary和Hemani 1采用拉格朗日动力学理论推导出的线性化的双足机器人数学模型来分析其稳定性，可操作性，和可观察性。1980年，Miyazaki和Arimoto 2 应用奇摄动法将双足机器人的快速模式和慢速模式的动力学行为进行分类，然后他们在此方法的基础上设计的控制器。1986年，Railbert出版了他的著作步行机器人的平衡，这对单足，双足和四足油压机器人的研究作出了卓越贡献。双足机器人结合不同学科的研究，如机械学，电子工程，控制工程，生物工程和机器人技术。主要研究内容包括腿部机制的设计，步态规划，步行跟踪和平衡控制理论。Hira 3设计的全负荷二自由度双足机器人，该机器人是由一个骨架和两个延伸脚。它的机械系统有4个自由度，2个旋转和2个移动自由度，减去2个限制自由度，两足的总长度是一个常数。骨架存放在两腿之间的中心。为了防止它倾倒，机器人的腿和脚安装垂直于地面。从侧面看，它就像3连杆的运动。因此，双足机器人能够在地面上直立行走。日本本田的第一代机器人是由本田R&D中心3研发。该机器人没有身体，只有一个连接手臂的悬空骨架。这个双足机器人有12个自由度，包括3个髋关节自由度，1个膝关节自由度，2个踝关节自由度，从正面看有5联接4自由度，从侧面看有7联接6自由度。两腿的重量大约只有总重量5-10。如果装载的手臂对平衡没有影响，并且两个手臂重量占总重量的比重小，那么机器人将可以步行上下楼梯，在斜度小于10度的斜面上前进或者后退。在成功操作机器人移动或者将物品从一个地方搬运到另一个地方之前，必须要跟随一种运动轨道。有几种方法来生成行走轨道，一种是通过观察真人的步态，而另一种通过即时计算。1970年，Vukobratovic等人，通过数值方法计算双足机器人的动态移动路径，Kato通过相同的方法得出了他的双足机器人的动态移动路径，然而，当机器人移动时，它需要较长的时间来计算所涉及到的轨迹，而且这很难适应不同的表面。除非CPU可以更快或简化算法，数值方法仍然有计算缓慢的问题，其他的方法来生成行走轨道包括输入最小能量，用神经网络和遗传法则。机器人的手臂自由度取决于机器人的类型，灵活性可以像人类的手臂一样。机器人手臂运动学是关于机器人手臂在一段时间内相对于固定坐标系的运动。在传统的分析中，机器人的底部被当作一个参考点，其他运动必须以该参考点为基础。一旦我们知道机器人手臂上所有联结点的位置，我们可以计算出手臂端部在空间的确切位置。现代商业机器人配备了混合旋转和滑动节点来与手臂或机器人手腕部分相连。旋转结点控制了两个连杆精确的角度运动，滑动结点仅控制两个连杆的线性运动。从理论上讲，其他的连接关系是可能的，然而，事实上只采用这两个连接。连杆和结点的串行联结叫做链，链可以打开或关闭。每一个链末端的连杆只连接一个结点，一个开式链指不连接靠近底部的连杆，相反一个闭合链指连接在前结点的连杆。现代工业机器人的主要类型是开式链。分析和控制机器人的手臂需要分析控制理论的发展。一个拥有多个结点的手臂被相互作用的内力和外部环境所影响，需要更加复杂的分析，Paul在同质变换矩阵方法和坐标转换领域的研究对机器人运动的分析是有益的参考。给定一个较大的模型或一个复杂的生物系统，人们通常面临的问题是需要对很多的参数进行调整。参数之间的广泛因素的相互作用，使得对模型的动态行为分析变得困难，参数的含义和值有助于克服这个问题。在这里，我们可以使用一个渐进的实验技术（称为侦察）去自主探索参数空间。这是一种自主探测技术，它使用理论值和实验值之间的偏差作为合适的估算值。为了获得大的动态生物学模型的运动信息，这种方法已被广泛应用。对于建立多种功能的四足机器人平台要结合不同的学科，如机械力学，电子工程，控制工程，生物工程和机器人技术等。影响设计四足机器人的因素中，首先要探讨腿部机制的设计，步态规划，路径跟踪，平衡控制理论。本研究采用程序语言去设计一切与构建多种功能的四足机器人平台有关的步态运动，编辑整合之后，加载所有运动到机器人的内部存储器，另外，这项研究结合了一种可靠的低成本的电路程序，用以减少发展四足机器人的障碍，并鼓励作进一步的研究。我们还开发了外部控制连接接口来加载不同的传感器到机器人上，此外1.2GHz的无线图像传输系统安装在机器人上为用户提供了实时监测功能，最后，机器人加载无线通信模块，该模块的开发有利于改善机器人的灵活性，并有效的降低开发成本。这样新模块在设计和执行机器人的特殊运动时将缩短发展过程大大降低机器人成本。2.研究方法2.1.文件分析收集所有涉及步行机器人的文献和数据筛选出制造步行机器人的相关理论。2.2.理论分析在正式执行之前，对步行机器人的运动作理论分析，这包括分析机器人的重心，电机的运转方向，角度和旋转速度。在实际执行之前必须要有理论上的可行性。2.3.模块理论在这项研究中，四足机器人的所有功能被分为五个模块来执行和监测。当所有功能运作时这些模块连接在一起，这种方法不仅简化了开发了过程，而且会导致调试更加简便。此外，它大大改善了机器人的生产。下面来描述这五个模块：a）控制模块接口和电路设计；b）机器人身体模块发动机机构；c）视觉系统模块1.2G电磁耦合图像传输系统；d）无线通信模块2.4GHz射频通信模块或GSM模块;e）传感器：红外传感器，二氧化碳传感器，温度和湿度传感器等。2.4.测试理论该方法包括发展四足机器人的不同步行运动和节省内存消耗，用户通过无线通信模块远程控制机器人并且通过视觉系统观测实时图像。最后，装在机器人上的传感器收集外部数据利用通信模块向用户报告。2.5.四足机器人的运动分析在这项研究中，四足机器人的运动学，动力学和静力平衡将被使用。D - H的坐标系是用来确定每个轴均匀的变换矩阵。通过求解矩阵，可以获得运动学的解决方法，然后用几何学推倒出逆运动。3.结果和讨论3.1.研究过程a）收集关于四足机器人如何行走的理论知识；b）开发一个控制四足机器人所有运动并能扩张的芯片（微处理器）；c）实现四足机器人的所有功能；d）使用计算机程序语言来编辑四足机器人的所有运动，包括前进，后退，左转，右转，坐下，跌倒后自动站起来，并将这些保存在四足机器人的内存中；e）安装一个1.2GHz的射频无线图像传输系统并在四足机器人上部署一个全视觉系统提供实时监测功能；f）将四足机器人上的无线通信模块（2.4GHz射频无线通信模块或GSM模块）结合实现实时远程控制；g）在四足机器人上安装不同的远程控制和经无线通信模块传回数据的传感器。3.2.计算机程序设计在电脑程序设计方面，VB语言被用作计算机程序语言和人机交换的平台（HMI），这些程序是一个工具，用来编辑机器人的所有步行运动，如前进，后退，左转，右转，坐下，跌倒后自动站起来。3.3.硬件电路的设计和执行硬件设计和实施包括总电路设计，控制器执行，在计算机方面的通信接口集成，存储规划和总的机械装置设计，此外，开发一个接口对外无线通信。这项研究强调了机器人的电路设计，但没有考虑对步行的平衡计算。这项研究中的硬件电路主要用于电机控制。3.4.四足机器人的最后装配四足机器人由控制器，电动机，连接器，传感器和电池组成，所有的组件中，电动机是最大的一部分，机器人的每一个关节都由电动机控制。本研究采用智能电动机作为四足机器人的控制器，这个最大移动角度为333度的电机，满足了我们的研究机器人的规格要求。电动机之间的连接器是由电机的原配件，简单的铝芯片和支持连接不同电机的铜柱组成，该控制器有一个控制电机的单片机微处理核心芯片。图1显示了智能电机的控制步骤。图一：智能电机控制流程图3.5.接口程序的重点说明在移动智能电机之前，必须先发送一个4字节的控制代码，该代码由启动代码，电机速度串行代码，位置代码和结束代码组成。每个代码长度为一字节。表一给出了电机的速度和编号。表一：速度和编号启动代码=0*跳频下面显示了电机的速度和串行代码格式速度：0（最大）-4（分钟）有5个不同的速度选择。电机系列：0 - 30 高达31种智能电动机用来控制。位置代码：0-254（位置）结束代码：（电动机转速串行代码XOR位置代码）0*7F 图2显示了串行控制示范。图二：串行控制的示范3.6.完整系统四足机器人的基本结构控制端（PC和单片机）能够同时控制多达31个智能电机，采用串行传输，控制端驱动电机移动到目标角度，利用电动机之间的数据传输，控制端能够控制和连接电机。在这项研究中四足机器人的设计分为三部分，第一部分是基础结构的设计，包括14个电机的连接，电机连接组件和四足机器人的外形。第二部分是有关控制器的设计，包括固件设计（用KeilC语言在微处理器中程序控制），硬件设计（简单的控制电路），以及软件设计（用VB语言进行人机交换）。最后一部分是外部硬件集成，包括两重半双工无线通信模块，1.2GHz的无线图像传输系统和传感器。三个部分综合，四足机器人的原型就设计完成了。图3显示了完整系统四足机器人的基本结构。图三：完整系统四足机器人的基本结构3.7.设计和执行四足机器人的硬件控制电路图4显示了设计和执行四足机器人的硬件控制电路，硬件设计集成了微控制器（来自ATMEL公司的AT89S52芯片），内存（四足机器人运动命令的存储空间），电源模块（提供电机和电路所需的电源），智能电机的控制接口（连续传输的电机控制），无线通信接口（2.4GHz射频无线通信模块），接受来自外部传感器的数据连接引脚，用于连接到电脑，下载运动命令的PC端通信接口，以及用来切换不同控制模式的旋转开关。结合上述电路，就完成了机器人的控制功能。图四：设计和执行硬件控制电路3.8.四足机器人的路径规划为了让四足机器人平稳的移动，四足机器人的运动曲线被用来解释它如何运动，相应的程序如图5。在这项研究中，运动学，动力学和四足机器人的静力平衡将被使用。D - H的坐标系是用来确定每个轴均匀的变换矩阵。四足机器人在D - H的坐标系中用连接轴来描述。当每个关节旋转角度已知，机器人的关节在坐标系中的位置矢量能够通过矩阵变换计算得出，通过求解矩阵，可以获得运动学的解决方法，然后用几何学推倒出逆运动。如果四足机器人的位置和连接轴的长度已知，有必要用运动学反解来得出每个连接轴的角度。图五：机器人运动的程序研究3.9.四足机器人的身体模块在这项研究中，14个智能电机被用来作为四足机器人的主要动力，在头部和颈部有一个单独的电机，四个脚上各有3个电机。通过连接电机的附件，单个的铝芯片，铜柱子，就完成了四足机器人原型。装载以前的硬件电路和所有运动程序（前进，后退，左转，右转，坐下，跌倒后自动站起来）后，包括留在内存中的运动，机器人能够完成机构范围内的所有运动。四足机器人的身体模块如图6所示。图六：四足机器人的身体模块3.10.四足机器人的视觉系统模块外部1.2GHz的无线图像传输模块通过USB转换接口将图像传输进PC端，用户甚至可以用录像功能将目标图像保存为AVI（MPEG-4）格式。3.11.四足机器人的无线通讯模块在这项研究中用到的2.4GHz射频无线通信模块具有nRF2401的单片机和2.4GHz无线收发器，采用半双工交流来双重传回数据。只要2.4GHz无线通信模块在运作，发射机的功率灯就一直亮着。当按下任何控制键，由于数据的传输Tx将会亮，此时，控制按钮可以用来驱动四足机器人的运动。当传感器接收到返回数据时，Rx灯变亮并显示传感器的状态。如果没有按下控制键，发射器和接收器保持通信连接来提供双/半双工功能。用GSM通信模块，用户可以使用手机远程控制机器人。当用户按下了移动电话的按钮传送信号到GSM模块，机器人的微控制器解码信号然后机器人移动，接着控制器发送AT命令，并与GSM模块通信得到传感器的状态报告。本研究使用红外接收器模块来作为监测装置。该传感器随着温度的变化而产生电荷，因为它是热电红外接收器。接收器的温度范围为-10和+50，直流电压范围为3至15V。通过扩大探测器的输出，经过电压比较器电路的传递，接收器可以监测到人体。传感器接受所有发热物体发出的红外线，包括人体。当没有监测到发热物体的运动，传感器的输出为0V。当监测到发热物体，传感器的输出为5V。机器人通过分析传感器的输出监测发热物体，并将结果通过2.4GHz的射频无线通信模块传回给用户。这项研究将开发可扩展的连接电路，当用户将不同的传感器连接到仪器板，物体被监测到时仪器板上会输出一个5V电压，控制器立即将返回的信号实时报告给用户。3.12.四足机器人模块上述图像的上半部分显示了1.2GHz的射频无线图像传输模块的镜头。四足机器人可以为用户端提供从镜头捕获的图像，通过控制在颈部和头部的电动机的运动，机器人可以移动镜头的位置并锁定观测图像，红外传感器位于颈部的电机上方的乳白色半圆顶，是人体探测器。控制器分为两个部分，上半部分是2.4GHz射频无线通信模块，用来接受用户的命令和传回检测信号，下半部分是控制机器人运动的控制模块。控制器下方是8.4 V，2000 mAH的锂电池，这种电池完全支持四足机器人的电力需求。图7显示了四足机器人的整体设计。图七：四足机器人的整体设计4.结论多种功能的四足机器人平台的主要设计概念是基于固定硬件的规格与不同传感器的组合，用来满足不同情况下的特别要求。因此，不需要因特别需求而开发新的机器人。另外，这项决议减少了开发成本和时间，随着机器人的传感器格式而重新设计传感器，用户可以在短时间内改变机器人的固件。通过改变模块，四足机器人能够扩展功能，用以监测，扫描，援救，监视甚至家庭护理，它的遥控功能增强了机器人与人的互动，并有可能大大改善人们的生活。在研究中固件改变这一观念将是机器人发展的主要方向之一，这一概念不仅降低了开发成本，而且使廉价多功能机器人成为可能，这将大大有利于在未来发展和传播机器人。多功能四足机器人平台的确立将为工业机器人的设计和生产提供多种选择。在工程制造领域，我们可以设想四足机器人将适用于今后不同的应用，工业机器人的应用前景将取决于制定四足机器人规范的实际需求。鸣谢这项研究是由美国国家科学理事会支持，根据合同96-2622-E-152-001-CC3 和 96-2411-H-152-003.参考书目1 Golliday CL, Hemami H.两足运动的分析和机器人运动控制的设计。自动化控制电子工程理事会，1997，22(6):96372.2 Miyazaki F, Arimoto S.两足动态运动控制理论的研究。ASME期刊动态系统测量和控制1980年，102:233-9。3 Hira K.从当前和未来角度看本田拟人机器人。见：1997年国际电子工程师协会会议关于智能机器人系统，1997. p. 5008.4 Sadain P, Rostami M, Thomas E, Bessonnet G.双足机器人：工艺设计和动态行为的相关性。控制工程实践，1999;7:40111.5 Ambarish Goswami.双足机器人的稳态和脚步旋转指示点。国际机器人研究杂志，1999，18:52333.6 Frank AA.近似动态分析和双足机械运动的合成。医学和生物工程，1970，8:4657